В ясный день мы смотрим вверх и видим тонкие белые линии, которые тянутся за лайнерами на большой высоте. Иногда след исчезает через минуту. Иногда, наоборот, он расползается в вуаль и затягивает половину неба. Поэтому у наблюдателя возникают закономерные вопросы: из чего сделаны эти «полосы», почему они ведут себя по-разному и насколько это безопасно? Разберёмся подробно, но простыми словами. При этом, чтобы было совсем надёжно, будем ссылаться на авторитетные источники.
Что это за белые следы и почему они появляются
Во-первых, белые струи — это конденсационные следы (по-английски contrails, от condensation trails). Они состоят из мельчайших кристаллов льда и капелек воды. Лёд образуется потому, что позади реактивных двигателей в атмосферу выбрасываются водяной пар и частицы-«ядра конденсации» (прежде всего сажа и сернистые остатки сгорания топлива). Так как на эшелонах полёта (обычно 8–12 км) очень холодно (-40…-60 °C), водяной пар мгновенно переохлаждается и кристаллизуется. Следовательно, за самолётом формируется «шлейф» из льда — белый, потому что кристаллы хорошо рассеивают свет.
Подробное объяснение см. у NASA: раздел о конденсационных следах.
Почему следы то исчезают, то растягиваются на полнеба
Во-вторых, поведение следа зависит не от самолёта, а от состояния воздуха в конкретном слое атмосферы. Если воздух сухой, кристаллы быстро испаряются (сублимируют) — и след угасает через секунды или минуты. Если воздух влажный и близок к насыщению, кристаллы не исчезают, а, наоборот, «подкармливаются» водяным паром вокруг. Тогда след живёт долго, постепенно расплывается за счёт ветров и вихрей, а затем превращается в искусственную перистую облачность.
Иначе говоря, длинные следы — это индикатор влажных слоёв на эшелоне, а короткие — сухих. Эту зависимость авиаметеорологи учитывают при прогнозировании.
Что такое «контрейловые облака» и причём тут климат
Далее важно понять: если след живёт долго и разрастается, он становится облаком. Такие облака хорошо рассеивают коротковолновый солнечный свет, но при этом задерживают уходящее тепловое излучение Земли. Баланс нетривиален, однако в среднем в середних широтах долговечные следы оказывают слабое положительное радиационное воздействие, то есть слегка согревают систему. Масштаб эффекта меньше, чем от CO₂, но, тем не менее, он измеряем. Поэтому некоторые авиакомпании и диспетчерские службы экспериментируют с микро-сменой маршрутов и эшелонов, чтобы обходить наиболее «влажные» слои, где формируются длинные следы: иногда достаточно подняться/опуститься на 300–600 м, чтобы след стал коротким или исчез.
Краткий обзор с графикой см. у NOAA: о влиянии контрейлов на радиационный баланс.
Из чего состоит выхлоп и насколько это безопасно для людей на земле
Разумеется, реактивный двигатель сжигает авиационный керосин. Выхлоп содержит CO₂, воду, оксиды азота, сажу и серу (в малых количествах для современных топлив). Однако на эшелонах выхлоп очень быстро разбавляется огромным объёмом воздуха; кроме того, кристаллы льда — это обычная вода, которая выпадает из пара при охлаждении. Таким образом, конденсационные следы не являются «распылением химикатов». Это хорошо задокументированный физический процесс, изучаемый десятилетиями.
Короткий разбор мифов и фактов опубликован FAA: Contrails — Facts.
Почему у одних самолётов след толще, чем у других
Причин несколько. Во-первых, режим работы двигателя: на взлёте и наборе тяга выше — пара больше. Во-вторых, тип двигателя: современные высокобайпасные турбовентиляторы смешивают горячие газы с холодным наружным воздухом и, в зависимости от условий, могут давать разный «портрет» следа. В-третьих, топливо: содержание серы и ароматических соединений влияет на число частиц-ядер конденсации; чем их больше, тем охотнее схватывается лёд. Наконец, высота и температура — ключевые параметры. След поэтому бывает и «двухполосным» (от каждого двигателя), и «сплошным».
А бывает след без участия выхлопа?
Да, кроме «выхлопных» конденсационных следов существуют аэродинамические. Они появляются при резком падении давления на концах крыла (в вихрях), на закрылках или в районе стабилизаторов, особенно во влажном воздухе на меньших высотах. Это те самые белёсые «шлейфы» у законцовок крыла на видео с шоу или при проходе сквозь облачность. Они обычно кратковременны и исчезают сразу после выхода из влажной зоны.
Почему следы часто «ломаются» или крест-накрест
Потому что ветер меняется с высотой — как по скорости, так и по направлению. Самолёты на разных эшелонах летят по разным воздушным рекам. Следовательно, следы на небе могут лежать под углами, пересекаться, «сноситься» и даже казаться изломанными — это обычная проекция трёхмерного потока на наше двумерное небо.
Можно ли «выключить» следы совсем
Полностью — нет, потому что мы не управляем погодой. Тем не менее, как уже сказано, кратковременная оптимизация уровней полёта и выбор маршрута способны резко снизить долю длинных следов. Исследовательские проекты показывают, что при минимальном увеличении расхода топлива можно существенно уменьшить образование долговечных контрейлов именно в ночное время, когда их согревающий эффект выше (Солнце не компенсирует отражением). Поэтому отрасль рассматривает такую климатически оптимизированную диспетчеризацию как одну из реалистичных мер.
Неплохая вводная у Европейского агентства по безопасности полётов: EASA — Aviation environmental roadmap.
«Следы означают, что самолёт летит низко?» — нет
Иногда кажется, что самолёт «совсем рядом». Однако на эшелоне он находится выше Эвереста, и мы видим его благодаря чистому воздуху и контрастной белой полосе. Более того, «белизна» не говорит о высоте сама по себе — важнее температура и влажность слоя.
«Следы — это опасно для здоровья?» — тоже нет
Для жителей на земле прямого риска от контрейлов нет: кристаллы льда испаряются на высоте, а газовые компоненты выхлопа к этому времени уже разбавлены тысячекратно. Вопросы качества воздуха вблизи аэропортов — это другая тема (взлёт-посадка близко к поверхности), но их решают локальными мерами: электро-тяга на рулении, наземное питание от стоек, контроль серы в топливе, биотоплива и т. п.
Вкратце про климат снова: где «боль» и где «решение»
- Боль: долговечные следы, превращающиеся в перистую облачность, добавляют небольшое положительное радиационное воздействие.
- Решение: сочетать био/синтетические топлива с меньшей сажей, а также выбор эшелона над влажными слоями — тогда образование льда уменьшается, и «климатический след» снижается без заметной потери эффективности.
Мифы и ответы коротко
«Это распыление химикатов». Нет. Это лёд из водяного пара на большой высоте; физика публична и воспроизводима.
«След виден — значит, самолёт старый». Необязательно. Важнее состояние воздуха.
«Длинный след — всегда вред». Климатический эффект есть, но он сравнительно мал и управляем маршрутами.
«Зимой следов меньше». Наоборот, из-за холода следы возможны чаще; решает влажность конкретного слоя.
Как использовать тему в образовании и путешествиях
Наконец, контрейлы — отличный «живой» инструмент, чтобы интересно объяснять детям погоду, фазовые переходы и динамику атмосферы. Для путешественника же они — знак того, что на эшелонах влажно и холодно. Сфотографируйте небо утром и вечером: иногда можно буквально увидеть, как меняется ветер с высотой.
Источники (анкорные ссылки)
- NASA — что такое конденсационные следы
- NOAA — контрейлы и радиационный баланс
- FAA — факты о контрейлах (PDF)
- EASA — экология авиации (дорожная карта)
Автор: Alexey
Создатель проекта Factologist.ru.
Пишу о транспорте простыми словами: от физики полёта до того, как диспетчеры управляют небом.
Помечено: авиационное топливо, авиация, атмосфера, белые следы, влажность воздуха, выхлоп самолёта, климат, конденсационные следы, контрейлы, ледяные кристаллы, парниковый эффект, погода, почему самолёты оставляют следы, самолёты